“手持技术实验培养了我对科学的兴趣，也教会我基于观察和实验验证的科学方法论。一定要用证据来解决科学问题。”正在中国科学院微观磁共振重点实验室攻读研究生学位的于子云说。于子云在广州市番禺区德兴小学就读时，在华南师范大学化学学院钱扬义教授研究团队雷晓晖老师的指导下，利用pH传感器等数字化设备采集、分析数据，将“验证茶是否为碱性”等想法转化为行动。
为帮助中小学生克服化学概念学习中的认知难点，钱扬义带队从1998年起，秉持“技术改变教育，教育改变人生”的理念，深耕手持技术数字化实验24年，构建全方位数字化实验“335”育人体系。成果引领30个省份11年“国培计划”1600多名国家化学骨干教师学习和应用数字化实验，树立高新实验技术赋能化学学科深度学习的典型新标杆，帮助学生学会化学和学好化学，培养学科核心素养。该成果获得2021年广东省教育教学成果奖（基础教育）特等奖。
技术赋能，对化学实验过程进行“画像”
在广州市第八十六中学上示范课时，钱扬义的研究生陈德成发现，由于化学涉及很多抽象概念，学生在学习化学时，多是机械记忆各类化学反应。在实验环节，部分教师照本宣科演示实验、得出结论，学生仅观察表象，缺乏猜想，对化学反应的认识停留在定性层面。
中小学化学实验教学面临实验现象不明显、实验原理难理解、抽象概念难感知等难题。如何才能将实验过程进行“画像”，帮助学生感知化学物质、理解反应原理、建构抽象概念，以及开展定量科学探究活动？团队以问题为导向，利用现代信息技术，开发出具有可视化、定量化、自动化、便携化特点的手持技术数字化实验。
手持技术数字化实验的优势在哪里？该系统是由小型数据采集器、传感器及配套软件组成，并能与计算机连接的实验技术系统。该系统仪器体积小、便于携带，可在室内外开展科学探究。系统可自动连续采集实验数据，数据采集过程与实验过程同时进行，能实时显示被测物理量的数值变化过程。实验仪器精度高，实验数据准确，可通过多次实验数据进行数学建模。
深度学习，引导学生由观察现象到“表征本质”
如何将手持技术数字化实验融入课堂？在推广伊始，团队发现优质的数字化实验学习资源匮乏，因此自主开发了243个实验案例，解决中小学课内外66个化学概念学习问题，这些案例均公开出版或发表。在大量实验资源基础上，通过“3×N”教学设计，团队转化得到130个手持技术实验教学案例，为教师提供优质的教学范例。
由于存在许多化学概念无法用传感器直接测量的问题，钱扬义团队在国内率先提出解决实验开发中数据选择问题的转化、量化感知、视觉感知、比较的“TQVC”概念认知模型，将陌生抽象概念逐步转化为熟悉概念关联属性。转化后的关联属性可通过手持技术某一传感器直接测量。该理论模型是解决如何开发手持技术实验难题的突出创新。
广州市第八十六中学高一学生在“选择数据—采集数据—分析数据—得出结论”环环相扣的数字化实验过程中，建立金属钠与氧气反应实质的认知。手持技术数字化实验在中小学化学实验原有基础上，以数据和曲线的形式提供多样化的证据，学生在实验活动中不仅能观察实验现象，还可以分析实验数据和曲线、预测反应趋势，在探析反应微观本质的过程中开展深度学习。
“曲线表征培养学生的证据意识，让学生从定量上认识化学变化，而不是只停留在观察现象。学生在数字化实验的方案设计、选择数据、采集数据、分析数据的过程中发展高阶科学思维，提高定量科学探究能力。”钱扬义团队在原来化学“宏观—微观—符号”三重表征基础上，增加曲线表征，率先提出解决实验结果中数据分析问题的“宏观—微观—符号—曲线”的“四重表征”教学策略，实现手持技术数字化实验又一理论创新。
辐射引领，实验成果应用呈“燎原之势”
手持技术数字化实验的应用，对学生的素养发展产生了积极影响。广东仲元中学高一年级开展教学实践发现，使用手持技术教学班的学生，概念知识掌握测试的综合题得分，显著优于普通教学班学生；广东广雅中学在高一年级进行教学实践中发现，手持技术数字化实验能显著促进学生提升设计方案、猜想假设、实验操作等五方面能力。
一花独放不是春，百花齐放春满园。钱扬义组建的全国性研究团队历经蹒跚起步、稳中求进、厚积薄发的研究过程，在国内率先系统地更新中小学化学实验内容，通过教科书、慕课、国培、“南北西东”四方联动、“U—G—E—S”协同研究与应用，将手持技术数字化实验向全国深度推广。团队通过连续11年的“国培计划”项目和9年的广东省“省培计划”项目，建立了100余家手持技术数字化实验协同发展基地。
钱扬义还带队出版了20本数字化实验教材。其中科粤版初中《化学》教材和参与编写的“十二五”普通高等教育本科国家规划教材《化学教学论》，分别发行1080万套与43.5万册。钱扬义主讲的广东省一流在线开放课程“化学教学论手持技术数字化实验”学习者超过2.3万人，覆盖全国30个省份的488所高校和中学。
（钱扬义 雷晓晖 白涛 王春）
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